基于ZLG7289A和JR8629的人机接口设计

李红刚　张素萍

摘 要： 针对目前传统人机接口设计存在的缺点，提出以STC单片机作为主控芯片，ZLG7289A和JR8629作为显示和键盘控制芯片的人机接口设计方案。同时，给出了该方案详细的硬件和软件设计。采用本设计方案的人机接口具有体积小、集成度高、设计简单、编程方便及实用性强等特点。经实践验证，运行效果良好，对仪器仪表、自动测量与控制等其他领域的人机接口设计具有一定的参考价值。

关键词： ZLG7289； JR8629； 人机接口； 高频电刀

中图分类号： TN919?34； TP273.5 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）10?0096?05

Abstract： Aiming at the shortcomings of the traditional human?computer interface， a design scheme of man?machine interface is put forward by using STC single chip microcontroller as the main control chip， ZLG7289A and JR8629 as display and keyboard control chips. At the same time， the hardware and software design of scheme is given in detail. The man?machine interface designed by this method has the characteristics of small size， high integration， simple design， convenient programming， strong practicability， etc. The actual verification result shows that the human?computer interface has good operation effect and a certain reference value for man?machine interface design in other fields such as automatic measurement and control of instruments and apparatuses.

Keywords： ZLG7289A； JR8629； man?machine interface； high?frequency electric knife

人机接口作为现代智能化仪器仪表不可缺少的组成部分，在实际工作中发挥着无可替代的作用[1]。传统的人机接口（键盘、显示）通常采用8255，8155等并行扩展芯片或者可编程键盘、显示驱动芯片INTEL 8279进行人机接口设计。而且在人机接口设计中，按键通常采用机械按键进行设计，机械按键长时间使用，会出现按键反应不灵敏或失效现象。传统人机接口设计方案存在占用微控制器IO资源较多、硬件电路设计复杂、功耗较高、体积大、不易编程等缺点。鉴于此，提出基于ZLG7289A和JR8629的人机接口设计方案，从而实现一种电路设计简单、编程方便及低成本的人机接口设计。

1 系统总体设计方案

由图1可知，系统以STC单片机作为系统人机接口的控制核心，由触摸按键控制芯片JR8269对触摸按键信息进行采集，将采集信息的处理结果传送给ZLG7289A，由ZLG7289A对系统显示及按键进行统一管理，STC单片机与ZLG7289A之间采用SPI总线进行数据通信。

2 系统所用芯片介绍

2.1 ZLG7289A芯片介绍[2]

ZLG7289A 是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的具有SPI 串行接口功能的可同时驱动8位共阴式数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片机即可完成LED 显示﹑键盘接口的全部功能。ZLG7289A 内部含有译码器，可直接接受BCD码或16进制码，并同时具有2种译码方式，此外，还具有多种控制指令如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。ZLG7289A 具有片选信号，可方便地实现多于8 位的显示或多于64 键的键盘接口。其主要特点如下：

（1） 串行接口，无需外围元件可直接驱动LED；

（2） 各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性；

（3） 循环左移/循环右移指令；

（4） 具有段寻址指令，方便控制独立LED；

（5） 64键键盘控制器，内含去抖动电路；

（6） 不接数码管而仅使用键盘管理功能时，工作电流可降至3 mA；

（7） 与微控制器之间采用SPI串行总线接口，操作方便，占用I/O资源少。

2.2 JR8629芯片介绍[3]

JR86296是8键电容式触摸按键专用检测传感器IC。采用最新一代电荷检测技术，利用操作者的手指与触摸按键焊盘之间产生电荷电平来进行检测，通过检测电荷的微小变化来确定手指接近或者触摸到感应表面。没有任何机械部件，不会磨损，其感测部分可以放置到任可绝缘（通常为玻璃或塑料材料）的后面，很容易制成与周围环境相密封的键盘。面板图案设计灵活，按键大小、形状自由选择，外形美观，而且不褪色、不变形、经久耐用。从根本上改变了各种金属面板以及机械面板无法达到的效果。其主要特点如下：

（1） 工作电压范围宽：2.0 ～5.5 V。

（2） 低功耗：80 μA。

（3） 三合一功能整合：

直接模式输出：8个触摸按键输入，8个并行输出口；

串行模式输出：8个触摸按键输入，以串行方式输出数据；

矩阵模式输出：8个触摸按键输入，以2×4或3×3矩阵方式输出控制。

（4） 可以通过外部option来选择高电平或者低电平输出。

（5） 稳定的人体触摸检测引擎CDC，更优化的算法，使系统更稳定更可靠。

3 系统设计

3.1 系统硬件设计

系统硬件设计原理图如图2所示。

3.1.1 ZLG7289A与微控制器的连接方式

系统采用基于8051内核的单时钟/机器周期、高性能、低功耗STC单片机STC12C5A60S2作为系统的控制核心，该微控制器内置FLASHM，SRAM，E2PROM、定时器/计数器、UART、串口2、I/O接口、8通道10位A/D转 换、SPI，PCA、看门狗以及串口在线编程等模块，具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、中断处理能力强等特点，可称得上是一个片上系统，能够方便地完成普通微控制器的功能[4?5]。ZLG7289A与微控制器的接口采用3线制SPI 串行总线，由CS，CLK 和DIO这3 根信号线组成。CS和CLK 是输入信号，由微控制器提供。DIO信号是双向的，必须接到微控制器上具有双向功能的I/O端口上。本系统中ZLG7289A的[CS]，CLK，DATA，[KEY]引脚分别与STC12C5A60S2的P2.7，P2.6，P2.5，P3.2相连接。

3.1.2 ZLG7289A与LED示灯及数码管的连接方式

ZLG7289A的SA?SG，DP分别与6位LED数码管的段码a?g，dp直接进行连接， DIG0 ?DIG5分别与6位LED数码管的位选信号COM直接进行连接。在实际应用中，ZLG7289A 应连接共阴式数码管，无需用到的数码管和键盘可以不连接，省去数码管和对数码管设置消隐属性均不会影响键盘的使用。系统原理图中的R11～R18 是限流电阻，典型值是270 Ω。如果要增大数码管的亮度，可以适当减小电阻值，最低200 Ω。

3.1.3 ZLG7289A与外部晶振的连接方式

ZLG7289A需要一外接晶体振荡电路供系统工作，其典型值分别为F=16 MHz，C=15 pF，本系统设计值为F=8 MHz，C=15 pF，如果芯片无法正常工作，请首先检查此振荡电路。在印刷电路板布线时所有元件，尤其是振荡电路的元件，应尽量靠近ZLG7289A，并尽量使电路联线最短。

3.1.4 ZLG7289A与触摸按键控制芯片JR8629连接方式

3.1.5 ZLG7289A的复位端设计要求

ZLG7289A的RST复位端在一般应用情况下，可以直接和VCC相连，在需要较高可靠性的情况下，可以连接一外部复位电路或直接由微处理器控制。因为芯片可直接驱动LED数码管显示，电流较大，且为动态扫描方式，为尽量消除电源噪声干扰， 提高电路抗干扰能力，应用时可在电源的正负极并入一个10 μF 的电容。

3.2 系统软件设计

3.2.1 SPI串行接口介绍[2，6]

ZLG7289A采用串行方式与微控制器通信， 串行数据从DATA引脚送入芯片， 并由CLK 端同步。当片选信号变为低电平后， DATA引脚上的数据在CLK 引脚的上升沿被写入ZLG7289A的缓冲寄存器。

ZLG7289A 的指令结构有3种类型：

（1） 不带数据的纯指令，指令的宽度为8个bit， 即微处理器需发送8个CLK脉冲。

（2） 带有数据的指令，宽度为16个bit，即微处理器需发送16个CLK 脉冲。

（3） 读取键盘数据，指令宽度为16个bit，前8个为微处理器发送到ZLG7289A的指令，后8个bit为ZLG7289A返回的键盘代码，执行此指令时，ZLG7289A的DATA端在第9个CLK脉冲的上升沿变为输出状态，并与第16个脉冲的下降沿恢复为输入状态，等待接收下一个指令。

具体指令及说明在参考文献[1] 中有详细介绍。3种控制指令的串行接口时序如图3～图5所示。

4 系统ZLG7289A和JR8629使用注意事项

（1） 由于在实际工作中高频信号对触摸按键的影响较大，所以在使用过程中常会出现按键失效现象。为此，触摸按键控制芯片JR8629的VCC可由STC单片机的一个I/O端口进行控制，本系统选用STC单片机的P5.1进行控制，在完成一次高频能量输出之后，先关闭JR8629的VCC， 然后延时100 ms，再开启JR8629的VCC，这样可有效避免触摸按键失灵现象。

（2） ZLG7289要跟着控制面板走。在实际应用中，仪器仪表的控制面板和主机板往往是分离的，它们之间有几十厘米的距离，要用长长的排线相连。键盘和数码管一般都位于控制面板上，主控制器则在主机板上。在设计时注意：ZLG7289一定要跟着控制面板走，而不要放在主机板上。这样可以有效避免ZLG7289A放在主机板上，走线过长，引起的显示混乱、按键失灵等故障现象。

（3） 复位引脚可以由主控制器直接控制。在实际工作应用中，为了增强抗干扰能力，建议采用独立的稳定直流电源给ZLG728A供电，VCC与GND之间的电容也要相应加大。另外复位引脚最好由主控制器来控制，每隔几分钟强制复位一次，复位脉冲宽度可以在100 ms左右。定时强制复位可以有效防止偶尔由于电磁干扰而产生的显示不正常和按键失效的现象。

（4） 驱动1英寸以上的大数码管时，要另外加驱动电路。ZLG7289的驱动能力毕竟是有限的，如果直接驱动1英寸以上的大数码管则可能会出现亮度不够的现象。这时可以适当减小限流电阻（最低200 Ω）以增加亮度。如果亮度仍然不够，就必须另外添加驱动芯片。

（5） 降低晶振频率。在ZLG7289数据手册里的典型应用电路图中，晶振16 MHz。但在电磁环境恶劣的现场，应该降低晶振频率，这里推荐值为1～8 MHz。晶振频率降低后，SPI总线的通信速率也要适当降低。

（6） 在上电或接收到复位信号后。ZLG7289A大约需要经过25 ms的时间才会进入正常工作状态。所以给ZLG7289A传送完复位命令后要延时至少25 ms[7]。

（7） 在发送命令和读取键值的指令中对各控制信号间的时序要求很高，若控制信号间所要求时间不相符合，则无法传送数据和命令，就不能响应按键，也无法读出键值[7]。

5 结 论

本文采用STC单片机作为主控芯片， 以ZLG7289A和JR8629作为显示和键盘控制芯片，设计了一种人机接口，并应用于实际中，实现了系统相关参数设置和显示。该系统运行稳定、可靠，具有体积小、集成度高、可靠性高、实用性强等特点，对其他仪器仪表人机接口设计具有一定的参考价值。

参考文献

[1] 李小燕.基于ARM单片机的人机交互接口的设计[J].仪器仪表用户，2007，14（5）：73?75.

[2] 广州周立功单片机发展有限公司.ZLG7289A串行接口LED 数码管及键盘管理器件[EB/OL].[2013?07?11].http：//www.zlgmcu.com/philips/hotic/zlg7289/zlg7289a.pdf.

[3] 深圳市劲锐科技有限公司.8键电容式触摸按键IC?JR8629[EB/OL].[2013?05?03].http：//www.docin.com/p?342038623.html.

[4] 刘晓东，施艳艳，李淑波.基于SPI接口的凌阳单片机键盘设计[J].电测与仪表，2007，44（494）：46?49.

[5] 鹿璇，宋晓，杜冲.基于单片机FPGA的人机交互系统的设计[J].电子设计工程，2010，18（9）：155?157.

[6] 苏变玲，朱志平，袁卫.I2C接口ZLG7289在数控信号源中的应用[J].现代电子技术，2008，31（23）：124?126.

[7] 杨恢先，杨穗，王子菡，等.显示键盘智能控制芯片ZLG7289A在数控切割系统中的应用[J].电子器件，2004，27（2）：245?249.

（5） 降低晶振频率。在ZLG7289数据手册里的典型应用电路图中，晶振16 MHz。但在电磁环境恶劣的现场，应该降低晶振频率，这里推荐值为1～8 MHz。晶振频率降低后，SPI总线的通信速率也要适当降低。

（6） 在上电或接收到复位信号后。ZLG7289A大约需要经过25 ms的时间才会进入正常工作状态。所以给ZLG7289A传送完复位命令后要延时至少25 ms[7]。

（7） 在发送命令和读取键值的指令中对各控制信号间的时序要求很高，若控制信号间所要求时间不相符合，则无法传送数据和命令，就不能响应按键，也无法读出键值[7]。

5 结 论

本文采用STC单片机作为主控芯片， 以ZLG7289A和JR8629作为显示和键盘控制芯片，设计了一种人机接口，并应用于实际中，实现了系统相关参数设置和显示。该系统运行稳定、可靠，具有体积小、集成度高、可靠性高、实用性强等特点，对其他仪器仪表人机接口设计具有一定的参考价值。

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[7] 杨恢先，杨穗，王子菡，等.显示键盘智能控制芯片ZLG7289A在数控切割系统中的应用[J].电子器件，2004，27（2）：245?249.

（5） 降低晶振频率。在ZLG7289数据手册里的典型应用电路图中，晶振16 MHz。但在电磁环境恶劣的现场，应该降低晶振频率，这里推荐值为1～8 MHz。晶振频率降低后，SPI总线的通信速率也要适当降低。

（6） 在上电或接收到复位信号后。ZLG7289A大约需要经过25 ms的时间才会进入正常工作状态。所以给ZLG7289A传送完复位命令后要延时至少25 ms[7]。

（7） 在发送命令和读取键值的指令中对各控制信号间的时序要求很高，若控制信号间所要求时间不相符合，则无法传送数据和命令，就不能响应按键，也无法读出键值[7]。

5 结 论

本文采用STC单片机作为主控芯片， 以ZLG7289A和JR8629作为显示和键盘控制芯片，设计了一种人机接口，并应用于实际中，实现了系统相关参数设置和显示。该系统运行稳定、可靠，具有体积小、集成度高、可靠性高、实用性强等特点，对其他仪器仪表人机接口设计具有一定的参考价值。

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